Der Prothesen-Schaft aus dem 3D-Drucker
Ein Prothesen-Schaft muss enormen Kräften standhalten und die Prothese sicher führen. Das AddiQ-Forschungsbündnis aus Sachsen-Anhalt entwickelt einen neuartigen 3D-Drucker sowie die Materialien zur passgenauen Herstellung stabiler Schäfte in nur 24 Stunden.
Prothesenwerkstätten sprechen von dem Schaft als entscheidendem Verbindungsstück zwischen Stumpf und Prothese. Er muss bequem sitzen und die menschlichen Bewegungen möglichst direkt auf die Prothese übertragen. „Die Passgenauigkeit des Schaftes ist bislang das Resultat akribischer Handarbeit. Darum müssen die Patientinnen und Patienten bis zum Anbringen der fertigen Prothese mit bis zu einem halben Jahr Wartezeit rechnen“, weiß Thomas Veit, Geschäftsführer der „Automation, Sonder- und Werkzeugmaschinen GmbH Naumburg“ im Süden Sachsen-Anhalts. ASW ist Partner im AddiQ-Forschungsbündnis. AddiQ leitet sich ab von „Additive Fertigung und Qualitätssicherung“. Das Bündnis will den wirtschaftlichen Durchbruch dieser Fertigungstechnologie voranbringen. Es wird dabei von dem durch das Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) finanzierten RUBIN-Programm für „Regionale unternehmerische Bündnisse für Innovation“ gefördert.
ASW und drei weitere regionale Partner beschäftigen sich intensiv mit der Umsetzung ihrer Idee, Prothesen-Schäfte im 3D-Druck herzustellen. „Prothesenhersteller könnten mit dem 3D-Druck eine noch höhere Passgenauigkeit erreichen und zugleich Produktionszeit und Material einsparen“, sagt Thomas Veit. Seine Projektpartner sind das Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle (Saale) sowie die Schweißtechnische Lehr- und Versuchsanstalt SLV Halle GmbH, die ihre Dienstleistungen auf dem Gebiet der Werkstoffprüfung und Qualitätssicherung einbringt.
Dünne Schichten und trotzdem stabil
In der additiven Fertigung – einem Verfahren, bei dem das Material in sehr dünnen Schichten aufgetragen wird – können ultraleichte Produkte hergestellt werden. Aber bislang gibt es weltweit weder eine 3D-Druckmaschine noch das entsprechende Material, um einen Schaft in der erforderlichen Festigkeit herzustellen. „Die besondere Herausforderung beim Prothesen-Schaft ist, dass die Schichten extrem fest zusammenhalten müssen, damit sie bei der enormen Belastung durch das Körpergewicht und Beugekräfte nicht brechen“, betont Patrick Hirsch, Wissenschaftler am IMWS. Er und sein Team entwickeln das Material für den 3D-Druck von Prothesen-Schäften. Es handelt sich um eine Faser aus Carbon mit einem Durchmesser von zehn Mikrometer (ein Mikrometer entspricht einem tausendstel Millimeter). Die Faser ist von einem besonderen Kunststoff ummantelt, der gut klebt, damit die aufgedruckten Schichten stabil aneinanderhaften.
Druckköpfe an Hydra-Hälsen
Das Forschungs- und Beratungszentrum für Maschinen- und Energiesysteme (FBZ), ein An-Institut der Hochschule Merseburg, ist langjähriger Auftragnehmer der Automation, Sonder- und Werkzeugmaschinen GmbH. Dietmar Glatz vom FBZ, bezeichnet sich selbst als „Missionar für den 3D-Druck“, seit der 1984 erfunden wurde. Der Fachmann ist federführend involviert in die Entwicklung der Druckköpfe für den 3D-Drucker namens Hydra – „benannt nach dem schlangenartigen vielköpfigen Ungeheuer aus der griechischen Mythologie, weil unsere Maschine vier Druckköpfe hat“, erklärt Dietmar Glatz und nimmt einen in die Hand. Am langen flexiblen Schlauch hängend sieht der tatsächlich einer Hydra ähnlich. Die vier Köpfe machen es möglich, dass die Schichten horizontal, vertikal und rundum aufgetragen werden können. So erlangt der im 3D-Druck hergestellte Schaft eine hohe Stabilität. „Wo die Prothese angeschraubt wird, muss die Festigkeit besonders hoch sein“, erklärt Dietmar Glatz und Patrick Hirsch ergänzt: „Je länger die Faser ist, umso höher ist die Festigkeit des Produktes. Diese Erkenntnis stammt aus der Luftfahrt, wo die Bauteile wie etwa Tragflächen besonders leicht und besonders stabil sein müssen“.
Wird das Material im Kontakt zum Körper eingesetzt, ist zudem die Bequemlichkeit gefragt. Darum druckt die Maschine zuerst eine weiche Schicht, die angenehm auf dem Stumpf sitzt. Darauf kommt eine festere Kunststoffschicht. Im dritten Gang wird die Verstärkung auf bestimmte Bereiche gedruckt und im vierten eine insgesamt „schöne“ Oberfläche, die später nach Wunsch designt werden kann.
Herstellungszeit verkürzt auf 24 Stunden
Ein assoziierter Partner im AddiQ-Forschungsbündnis ist der weltmarktführende Prothesenhersteller Ottobock. Ottobock wird die Schaft-Modelle testen und zu deren Optimierung beitragen. In anderthalb Jahren, so die Projektpartner, soll der Prototyp der Hydra-Druckmaschine fertig sein. Sie wird etwa Kühlschrank-groß sein, auf einem fahrbaren Gestell stehen und einen Prothesen-Schaft innerhalb von 24 Stunden drucken. Auch was die Kosten betrifft, soll der Drucker in die Werkstätten von Prothesenherstellern „passen“.
Für Maschinenbauer Thomas Veit ist es keine Frage, dass „Hydra“ auch Sonderbauteile für Maschinen drucken und ein Aushängeschild sein wird für die Weiterentwicklung additiver Fertigungstechnologien. In der Region Halle-Leipzig-Merseburg ist langjährig gewachsene Kompetenz auf diesem Gebiet zuhause. Das AddiQ-Forschungsbündnis will hier ein mitteldeutsches Kompetenzzentrum zur Qualitätssicherung in der Additiven Fertigung entlang der gesamten Wertschöpfungskette etablieren.